中國粉體網(wǎng)訊  微波介質(zhì)陶瓷是近幾十年發(fā)展起來的一種新型功能陶瓷材料，可應(yīng)用于微波頻段（主要是300MHz～30GHz）電路中作為介質(zhì)材料并完成一種或多種功能，是制造濾波器、諧振器、振蕩器、移項(xiàng)器等微波元件的關(guān)鍵材料。隨著微波通信技術(shù)向毫米波段擴(kuò)展，新型毫米波器件和系統(tǒng)快速發(fā)展，對(duì)微波介質(zhì)陶瓷的介電性能提出了更高的要求。

材料的微波介電性能與組織結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，可以通過調(diào)節(jié)粉體配方和工藝條件來改變材料的顯微組織，并以此調(diào)節(jié)其介電性能。在微波介質(zhì)陶瓷的制備過程中，其制備技術(shù)直接影響所得陶瓷材料的致密程度、晶粒尺寸、晶粒分布、晶界及內(nèi)應(yīng)力等，進(jìn)而影響陶瓷的介電性能。陶瓷材料中致密度越高、晶粒尺寸越大，晶粒分布越均勻，其介電常數(shù)越高，品質(zhì)因數(shù)越低。

1、粉體制備技術(shù)

（1）固相反應(yīng)法

通常，微波介質(zhì)陶瓷粉體采用固相反應(yīng)法合成。該方法是將多種氧化物粉料混合、煅燒，經(jīng)機(jī)械研磨而獲得粉體，具有設(shè)備、工藝簡(jiǎn)單，易于工業(yè)化生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)。但是通過這種方法難以獲得高純度的物相，同時(shí)不能確保粉體成分分布的均勻性。此外，制備的粉體粒徑較大，反應(yīng)活性較差導(dǎo)致陶瓷的燒結(jié)溫度較高。

（2）溶膠-凝膠法

溶膠-凝膠法是指金屬醇鹽或無機(jī)鹽化合物經(jīng)過水解、縮聚再經(jīng)熱處理而成的氧化物或其它化合物固體的方法。使用溶膠-凝膠法可獲得細(xì)、均勻、純度高的粉體，并且燒結(jié)溫度有所降低。

溶膠-凝膠法相比傳統(tǒng)固相法來說，有較低的粉體合成溫度和燒結(jié)溫度，避免了機(jī)械研磨過程中引入雜質(zhì)，且組分混合均勻，易得到化學(xué)組分準(zhǔn)確的多組分材料。但其粉料成本較高，工藝復(fù)雜，生產(chǎn)周期較長(zhǎng)，較難實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。

（3）熔鹽法

熔鹽法是通過在常規(guī)固相反應(yīng)中引入低熔點(diǎn)鹽作為助熔劑來合成物質(zhì)的一種新方法。低熔點(diǎn)鹽的引入導(dǎo)致合成過程中有液相出現(xiàn)，大大加快了離子的擴(kuò)散速率。

盡管熔鹽法工藝簡(jiǎn)單、粉體合成溫度低、保溫時(shí)間短、合成粉體的化學(xué)成分均勻、產(chǎn)物的形貌易控制，但是燒結(jié)過程中熔鹽的揮發(fā)易對(duì)爐體造成污染，同時(shí)熔鹽法制備的微波介質(zhì)陶瓷的介電性能普遍降低，且原因尚不清楚。

（4）水熱法

水熱法是近幾年發(fā)展起來的最適合規(guī)模生產(chǎn)陶瓷粉體的濕化學(xué)制備方法。其基本原理是：把在常溫常壓下不易被氧化的物質(zhì)，以水溶液作為介質(zhì)在密封的壓力容器中進(jìn)行材料合成，粉體的形成經(jīng)歷了一個(gè)溶解-結(jié)晶過程。與傳統(tǒng)固相法相比，水熱法制得粉體粒徑很小且分布均勻，團(tuán)聚程度小，并且該方法投資少、能耗低、無污染、產(chǎn)量也較高。

（5）共沉淀法

共沉淀法是利用各種組分元素的可溶性金屬鹽類，按一定比例配制成溶液，然后加入合適的沉淀劑，各金屬離子形成均勻沉淀，通過調(diào)節(jié)溶液的濃度和pH值等來控制沉淀粉體的性能，將沉淀物煅燒得到組分均勻的氧化物混合體。

共沉淀法的優(yōu)點(diǎn)在于制備工藝簡(jiǎn)單、成本低、制備條件易于控制，并且它的合成周期短、組成成分均勻。但在制備過程中由于沉淀劑的加入會(huì)使局部濃度過高，產(chǎn)生團(tuán)聚或組成不夠均勻，并且殘留的Zn²⁺、Mg²⁺等離子難以析出，大大影響微波介質(zhì)陶瓷的介電性能。

（6）微乳液法

微乳液是將反應(yīng)物溶液在油類相、表面活性劑或助表面活性劑的作用下形成熱力學(xué)穩(wěn)定、各相同性、外觀透明或半透明的分散體系。其中每個(gè)被表面活化劑和油類相包裹的液珠都是一個(gè)反應(yīng)微胞團(tuán)，然后將生成的納米顆粒從乳狀液中分離、清洗、干燥后即可得到細(xì)小均勻的粉體。

微乳液法可以制備出納米級(jí)的陶瓷粉體，并且粉體大小和形態(tài)受表面活性劑的種類和水核尺寸的影響。采用該法能有效降低粉體的合成溫度和陶瓷燒結(jié)溫度，同時(shí)材料的微波介電性能變化不大。但由于要使均勻分散在連續(xù)油相中的水相維持熱力學(xué)穩(wěn)定，導(dǎo)致該法工藝比較復(fù)雜，限制了其應(yīng)用。

2、微波介質(zhì)陶瓷燒結(jié)技術(shù)

（1）常壓固相燒結(jié)技術(shù)

常壓固相燒結(jié)是指在大氣壓下燒結(jié)坯體的過程，又因在燒結(jié)過程中無需額外施加壓力，故又稱無壓固相燒結(jié)。常壓固相燒結(jié)是一種最常用的燒結(jié)方法，具有簡(jiǎn)便易行、制備成本低廉、使用范圍廣等特點(diǎn)。

常壓固相燒結(jié)時(shí)，燒結(jié)溫度往往對(duì)燒結(jié)過程起著決定性的作用，燒結(jié)溫度越高，固相擴(kuò)散越快，燒結(jié)速度將得到提升。但燒結(jié)溫度過高，可能會(huì)導(dǎo)致固相組織粗大，致密性降低，影響其微波性能。

（2）壓力燒結(jié)

壓力燒結(jié)是指在加熱燒結(jié)時(shí)對(duì)燒結(jié)體施加一定的壓力以促進(jìn)致密化的燒結(jié)方法。加壓燒結(jié)是基于無壓燒結(jié)發(fā)展而來，與無壓燒結(jié)技術(shù)相比，壓力燒結(jié)技術(shù)具有燒結(jié)溫度低、晶粒細(xì)小等特點(diǎn)，且在非氧化物陶瓷領(lǐng)域具有很大的發(fā)展空間。熱等靜壓燒結(jié)能夠改變功能陶瓷的組織結(jié)構(gòu)，從而影響其介電性能，但目前在介質(zhì)陶瓷領(lǐng)域應(yīng)用較少。

（3）微波燒結(jié)

在微波燒結(jié)過程中，特殊波段的微波可直接與材料物質(zhì)粒子（分子、離子）相互作用，與材料的基本細(xì)微結(jié)構(gòu)耦合產(chǎn)生熱量從而實(shí)現(xiàn)加熱。該方法可以降低燒結(jié)溫度，改善顯微組織，并且還是一種對(duì)環(huán)境友好的方法。

相比傳統(tǒng)固相燒結(jié)，微波燒結(jié)具有加熱速度快、溫度場(chǎng)均勻、燒結(jié)時(shí)間短、高效節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)，能顯著改善材料的顯微組織，有利于微波介電性能的提高。但由于微波介質(zhì)陶瓷通常是微波透明材料，難以吸收微波，導(dǎo)致初期加熱困難；此外，加熱爐腔內(nèi)不均勻的電磁場(chǎng)分布可能會(huì)使材料出現(xiàn)局部熱失控導(dǎo)致其開裂。

（4）放電等離子燒結(jié)

放電等離子燒結(jié)（SPS）通過承壓導(dǎo)電模具加上可控脈沖電流對(duì)粉體進(jìn)行燒結(jié)。該技術(shù)利用體加熱和表面活化實(shí)現(xiàn)材料的超快速致密化燒結(jié)，且所得燒結(jié)體晶粒均勻，致密度高，可廣泛用于磁性材料、功能梯度材料、納米陶瓷、纖維增強(qiáng)陶瓷和金屬間化合物等一系列新型材料的燒結(jié)。

相比于傳統(tǒng)方法，等離子燒結(jié)在保持高溫高速的同時(shí)，能夠有效地抑制陶瓷晶粒的生長(zhǎng)。但是其過快的升溫速率有可能導(dǎo)致樣品開裂，影響坯體的燒結(jié)。

（5）反應(yīng)燒結(jié)

反應(yīng)燒結(jié)是指在添加物的作用下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，同時(shí)進(jìn)行燒結(jié)的方法。在此過程中，原材料不需要經(jīng)過煅燒和球磨，而能夠直接被壓制和燒結(jié)，是獲得高密度陶瓷的有效方法。與傳統(tǒng)固相法相比，反應(yīng)燒結(jié)在保持陶瓷介電性能不變的同時(shí)，仍具有工藝簡(jiǎn)單、節(jié)約能源等優(yōu)點(diǎn)，在這一領(lǐng)域是一種非常有潛力的方法。

（6）燒結(jié)助劑

對(duì)于難以燒結(jié)致密或要求低溫?zé)�結(jié)的陶瓷體系，通常需要添加低熔點(diǎn)的氧化物或玻璃相等燒結(jié)助劑。普遍認(rèn)為，在燒結(jié)過程中燒結(jié)助劑在顆粒之間形成液相，加速了傳質(zhì)，進(jìn)而促進(jìn)燒結(jié)。常用作燒結(jié)助劑的添加劑有低熔點(diǎn)氧化物（如B₂O₃、Bi₂O₃、V₂O₅、CuO、ZnO），低熔點(diǎn)氟化物（如LiF、MgF₂、CaF₂），低熔點(diǎn)玻璃（如ZnO-B₂O₃、Li₂O-ZnO-B₂O₃、ZnO-B₂O₃-SiO₂）和稀土氧化物（如CeO₂、Nd₂O₃）。

燒結(jié)助劑在燒結(jié)過程中可以形成液相加速傳質(zhì)，可改善陶瓷的燒結(jié)特性。但燒結(jié)助劑在燒結(jié)后往往在晶界富集，易使晶粒表層產(chǎn)生化學(xué)計(jì)量比偏離等晶格缺陷，并且還可能與基體反應(yīng)生成第二相。此外，有些添加劑所含多價(jià)態(tài)離子在燒結(jié)過程中會(huì)產(chǎn)生變價(jià)，導(dǎo)致氧空位濃度改變，從而影響材料的微波介電性能。因此，選擇合適的燒結(jié)助劑十分重要。

3、小結(jié)

微波介質(zhì)陶瓷的粉體制備技術(shù)和燒結(jié)技術(shù)對(duì)其微觀結(jié)構(gòu)、顯微組織和介電性能具有重要的影響，因此在不斷探索新型成分體系的同時(shí)，還應(yīng)重視研究其制備技術(shù)的研究與應(yīng)用。

參考資料：

胡杰等.微波介質(zhì)陶瓷制備技術(shù)研究進(jìn)展.南京工程學(xué)院

程鵬等.微波介質(zhì)陶瓷制備技術(shù)研究進(jìn)展.南京航空航天大學(xué)

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